Bilan carbone de la voiture à hydrogène : la voiture électrique reste devant

En 2020, la France s’est dotée d’une stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné. 9 milliards d’euros seront investis d’ici 2030 notamment pour installer de nombreux électrolyseurs en France et pour développer les mobilités propres, en particulier les véhicules lourds.   

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Selon France Hydrogène, on ne comptait en début d’année 2023 que 550 voitures à hydrogène en France. Et près de 1200 véhicules au total en comptant les engins de manutention, les vélos ou les bus. Autant dire que le marché est encore très embryonnaire. 

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Est-ce que l’hydrogène peut se faire une place à moyen ou long terme dans la décarbonation de la mobilité légère ? Dans les véhicules particuliers ? Quel est le bilan carbone de la voiture à hydrogène ? On fait le point. 

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Qu’est-ce que l’hydrogène et comment est-il produit ? 

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L’hydrogène n’est pas une énergie primaire comme le sont le pétrole ou le vent par exemple. C’est un vecteur énergétique produit grâce à une réaction chimique à partir d’une ressource primaire : des hydrocarbures (charbon, gaz et pétrole) et l’eau. Et ce que l’on appelle communément l’hydrogène est en réalité le dihydrogène H2.

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Les principaux modes de production de l’hydrogène sont les suivants : 

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• le vaporeformage du gaz naturel : c’est la technique la plus utilisée dans le monde. Le méthane est traité avec de la vapeur d’eau pour obtenir un mélange contenant de l’hydrogène et du CO2. Cette technique s’accompagne donc d’importants rejets de CO2, à moins de réussir à le capter et à le stocker.
• la gazéification du charbon : conversion en hydrogène grâce à la combustion du charbon. Là aussi, c’est un procédé qui s’accompagne d’importantes émissions de CO2.
• l’électrolyse de l’eau : c’est la voie privilégiée aujourd’hui pour produire de l’hydrogène bas carbone. Cette technique utilise de l’énergie électrique pour extraire l’hydrogène présent dans une molécule d’eau. L’électrolyseur fonctionne avec de l’électricité. Cela pose donc le problème de l’origine de cette électricité. Pour que l’hydrogène produit par électrolyse soit réellement bas carbone, l’électricité utilisée doit être renouvelable ou d’origine nucléaire. Sinon, le procédé est lui aussi très fortement émetteur. 

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Ce sont donc ces différents procédés qui déterminent l’empreinte environnementale de l’hydrogène. Et on va le voir, c’est capital dans le bilan carbone total de l’hydrogène dans la mobilité. 

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Ces différents modes de production ont par ailleurs donné un code couleur assez connu : 

• L’hydrogène gris est celui produit à partir d’énergies fossiles, vaporeformage du gaz naturel et gazéification.
• L’hydrogène vert pour celui qui est fabriqué à partir de l’électrolyse de l’eau avec une électricité 100% renouvelable.
• L’hydrogène jaune pour l’hydrogène produit avec l’électrolyse de l’eau et une électricité provenant de l’énergie nucléaire. 

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Récemment, l’ADEME a proposé une nouvelle terminologie :

• L’hydrogène carboné à la place de l’hydrogène gris.
• L’hydrogène renouvelable à la place de l’hydrogène vert.
• Et l’hydrogène bas carbone à la place de l’hydrogène jaune. 

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Une nouvelle couleur est par ailleurs apparue ces derniers mois : l’hydrogène blanc. Il désigne l’hydrogène naturellement présent sous terre et parfois à des quantités importantes. De l’hydrogène naturel qui constituerait une nouvelle source d’énergie décarbonée et à un coût moins cher que l’hydrogène carboné ou produit par électrolyse. Un forage est en cours dans le Nebraska aux Etats-Unis depuis quelques mois, des permis d’exploration ont été attribués en Australie et des gisements découverts dans de nombreux pays : Espagne, Chine, Nouvelle-Zélande, Italie mais aussi en France, dans le Béarn, en Moselle ou encore dans le Doubs. Si bien que des scientifiques parlent désormais de “nouveau pétrole”. C’est toutefois encore un peu tôt. Reste à connaître avec précision les ressources disponibles dans le monde et ce qui sera exploitable industriellement. Certains chercheurs estiment déjà que les flux pourraient être extrêmement faibles comparés aux besoins énergétiques actuels et à venir. 

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Enfin, dans la mobilité, ce qu'on appelle une voiture à hydrogène est dans l'immense majorité des cas un véhicule électrique avec une pile à combustible alimentée par de l'hydrogène. Contrairement aux voitures électriques équipées elles de batteries.

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Le bilan carbone de la voiture à hydrogène 

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Difficile de répondre de manière rapide tant l’empreinte carbone d’une voiture à hydrogène varie énormément. Elle peut passer du simple au quadruple selon les conditions.  

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Précisons ici tout de suite que les chiffres sur le bilan carbone de la voiture à hydrogène concernent les voitures appartenant à ce que l’on appelle dans le secteur automobile le segment D, c’est-à-dire les berlines familiales. Ce sont sur ces voitures que l’on trouve aujourd’hui le plus de modèles à hydrogène.  

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Comment expliquer alors une telle différence pour le même nombre de kilomètres parcourus ? 

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C’est bien le mode de production de l’hydrogène qui explique ce gouffre. On l’a vu juste avant, l’hydrogène peut être produit de plusieurs manières différentes. Et son impact carbone varie très fortement selon son origine.   

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En 2020, l’Ademe a fait réaliser une étude d’ACV (Analyse du cycle de vie) relative à l’hydrogène. Les auteurs se sont intéressés au cycle de vie de l’hydrogène et à son bilan carbone pour deux types de véhicules : une berline appartenant au segment D et utilisée dans un cadre professionnel (taxi) et un véhicule utilitaire léger (VUL). 

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Dans le cycle de vie de l’hydrogène, la première, c’est sa production. Ainsi, pour la France, selon les résultats de cette étude, 3 grands scénarios de production sont possibles : 

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• Hydrogène issu de l’électrolyse de l’eau utilisant une électricité 100% renouvelable (éolienne, photovoltaïque, hydraulique) : 1,61kgCO2e par kilo d’hydrogène produit
• Hydrogène issu de l’électrolyse utilisant l’électricité du mix France 2023 (avec beaucoup de nucléaire) : 2,86kgCO2e/kgH2
• Hydrogène issu du vaporeformage du gaz naturel : 11,81kgCO2e/kgH2  

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Attention toutefois, si l’électrolyse de l’eau est une méthode a priori bien moins carbonée que le vaporeformage du gaz naturel, tout dépend en fait de l’électricité utilisée pour l’électrolyse. Ainsi, avec le mix électrique européen, le bilan carbone de l’hydrogène issu de l’électrolyse explose : environ 21kgCO2e/kgH2. C’est 7 fois plus que l’électrolyse avec le mix électrique en France et près de 2 fois plus que le vaporeformage du gaz naturel. 

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Le problème, c’est que l’hydrogène produit à partir de l’électrolyse est aujourd’hui ultra minoritaire. En France, selon cette étude de RTE, 95% de l’hydrogène est produit à partir d’énergies fossiles, dont le vaporeformage de gaz naturel, la gazéification de charbon et les co-produits de raffinage du pétrole. Seul 5% de l’hydrogène est issu de l’électrolyse de la saumure. Dans le monde, c’est encore pire puisque l’hydrogène est produit à plus de 99% à partir d’énergies fossiles. Autant dire que l’hydrogène produit aujourd’hui est très majoritairement un hydrogène carboné, ce qui alourdit nettement l’impact carbone de la voiture à hydrogène. 

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A la production de l’hydrogène, il faut ajouter la fabrication de la voiture. Selon cette même étude de l’Ademe, produire la structure d’une berline émet 5,4 tonnes de CO2e. Les équipements liés à la propulsion hydrogène (petite batterie, pile à combustible, réservoir hydrogène) engendrent des émissions significatives : 4,3tCO2e. Au total, une berline à hydrogène pour sa seule fabrication émet 9,7tCO2. C’est l’équivalent des émissions d’un Français sur une année complète ou de 45 000 km en voiture. 

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Le poids de la fabrication du véhicule dans le bilan carbone total de la voiture dépend logiquement de l’origine de l’hydrogène : 

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• Pour une berline qui parcourt 200 000 km avec de l’hydrogène issu du vaporeformage de gaz naturel, la fabrication représente moins de 30% de l’empreinte carbone totale, plus de 70% pour la production de l’hydrogène.
• Sur 200 000 km toujours avec de l’hydrogène issu de l’électrolyse de l’eau utilisant le mix électrique français, la fabrication du véhicule atteint ici 60% du bilan carbone total, 40% pour la production d’hydrogène.  

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Au total, voici ce qu’obtient l’Ademe pour le bilan carbone d’une berline hydrogène par kilomètre : 

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• Véhicule hydrogène issu de l’électrolyse (mix France 2023) : 79gCO2e/km
• Véhicule hydrogène issu du vaporeformage du gaz naturel : 197gCO2e/km

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Le bilan carbone de la voiture hydrogène VS voiture thermique 

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Il est très clair que la fabrication des voitures thermiques (essence et diesel) émet beaucoup moins que celle des voitures à hydrogène : 5,5 tonnes de CO2e environ contre 9,7 tonnes pour un véhicule hydrogène de type berline. Et ce sont les équipements liés à l’usage de l’hydrogène qui expliquent cette différence. La batterie, le réservoir à hydrogène et la pile à combustible engendrent ainsi des émissions d’un peu plus de 4 tonnes de CO2e. 

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Mais à l’usage, le véhicule hydrogène est bien moins émissif que la voiture thermique. Résultat, sur l’ensemble du cycle de vie, comparée à une berline essence, une berline hydrogène permet de réduire : 

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• de 23% les émissions de CO2e si l’hydrogène est produit par vaporeformage de gaz naturel. 
• de 74% en moyenne si l’hydrogène est issu de l’électrolyse. 

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L’Ademe a pu ainsi calculer le point de bascule entre les véhicules thermiques et les véhicules hydrogène, c’est-à-dire le kilométrage à partir duquel les émissions émises par les véhicules hydrogènes deviennent moins importantes que celles émises par les véhicules thermiques. Ce point de bascule se situe juste après 25 000 kilomètres pour l’hydrogène issu de l’électrolyse. Autrement dit, il suffit de rouler un peu plus de 25 000 kilomètres pour que le véhicule hydrogène soit plus intéressant du point de vue empreinte carbone. Pour les véhicules électriques, ce point de bascule intervient encore un peu plus tôt, avant les 25 000 kilomètres. 

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Le bilan carbone de la voiture hydrogène VS voiture électrique

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D’abord sur la phase de fabrication, il n’y a aucune différence notable en matière d’émissions entre la fabrication d’une voiture hydrogène et celle d’une voiture électrique : 9,2 tonnes de CO2e pour une voiture électrique contre 9,7tCO2e pour la voiture hydrogène. Dans les deux cas, ces véhicules sont jusqu’à deux fois plus émissifs que les voitures essence ou diesel pour leur fabrication. 

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C’est bien au cours de la phase d’utilisation que la différence se fait. Et la berline électrique à batterie présente de meilleurs résultats que celle à hydrogène. 

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Reprenons l’ACV réalisée en 2020 pour le compte de l’Ademe. Sur 200 000 kilomètres parcourus, voici le bilan carbone des différents véhicules : 

• Véhicule électrique : 56gCO2e/km
• Véhicule hydrogène issu de l’électrolyse (mix France 2023) : 79gCO2e/km
• Véhicule hydrogène issu du vaporeformage du gaz naturel : 197gCO2e/km

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Autrement dit, les véhicules alimentés par de l’hydrogène issu de l’électrolyse émettent 41% de plus d’émissions de CO2e sur l’ensemble du cycle de vie qu’un véhicule électrique. Ce dernier émet par ailleurs 72% de moins qu’un véhicule alimenté par de l’hydrogène issu du vaporeformage du gaz naturel. 

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Quel avenir pour l’hydrogène dans la mobilité ? 

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L’hydrogène pour les véhicules particuliers 

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On vient de le voir, la voiture hydrogène présente un bilan carbone bien moins élevé que les voitures thermiques, représentant ainsi une opportunité dans la décarbonation de la mobilité. Cependant, son empreinte carbone reste plus élevée que celle de la voiture électrique. Et cela y compris avec de l’hydrogène issu de l’électrolyse 100% renouvelable, c’est-à-dire l’hydrogène le plus propre. Dans ce cas de figure, sur 200 000 kilomètres, la voiture hydrogène enregistre 15% d’émissions de CO2e supplémentaires. Dès lors, l’hydrogène est-il pertinent pour la mobilité légère particulière ? L’an dernier, l’ADEME et l’IFP Energies nouvelles (IFPEN) ont publié les résultats de l’étude économique, énergétique et environnementale pour les technologies du transport routier à horizon 2040 (E4T 2040). Dans ses conclusions, l’IFPEN estime ainsi que l’étude place “le tout-électrique comme la solution la plus pertinente pour les voitures individuelles, aujourd’hui et plus encore en 2040, tant sur le plan économique qu’environnemental”. 

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Pour l’hydrogène, le résultat est bien plus contrasté, l’IFPEN estimant que “la technologie de la pile à combustible à hydrogène reste peu compétitive pour les véhicules légers à cette échéance, en raison de coûts d’acquisition et opérationnels élevés”. 

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L’hydrogène pour les véhicules utilitaires légers et lourds

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L’étude d’ACV menée en 2020 sur l’hydrogène portait aussi sur un véhicule utilitaire (VU) léger. 

Dans ce cas, les résultats sur le bilan carbone ne diffèrent que très peu de ceux obtenus pour le véhicule léger. Le VU léger affiche ainsi un bilan carbone 11% à 75% plus faible, selon le mode de production de l’hydrogène, que son équivalent diesel. Mais ses émissions restent légèrement supérieures à celles d’un VU électrique. 

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Dans le graphique ci-dessous, "BEV" représente les véhicules électriques à batterie et "FCEV" les véhicules électriques à pile à combustible fonctionnant à l'hydrogène.

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Toutefois, les véhicules à hydrogène présentent deux avantages significatifs par rapport à l’électrique : une autonomie supérieure et une recharge beaucoup plus rapide, similaire à celle d'un plein d'essence dans une station aujourd'hui.

Dans le cadre professionnel nécessitant un rayon d’action plus important et des recharges plus régulières, ces avantages peuvent faire la différence. A condition que la production de H2 soit décarbonée, le VU hydrogène pourrait donc se faire une place aux côtés de l’électrique, déjà pertinent environnementalement et bientôt le plus compétitif. 

Pour le transport de marchandises, là encore, la solution hydrogène pourrait être pertinente dans les années à venir pour les besoins de grande autonomie. 

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Enfin, en ce qui concerne les autres véhicules lourds, bus, poids lourds routiers ou poids lourds de livraison, les résultats sont assez similaires. Les véhicules hydrogène affichent ainsi des émissions de CO2 bien inférieures à celles de leurs équivalents diesel. Mais leur empreinte carbone reste supérieure à celle des véhicules similaires électriques. 

Néanmoins, là encore, certains usages nécessitent des autonomies supérieures à celles permises par les véhicules électriques à batterie. Dans ces conditions, l’utilisation de l’hydrogène serait appropriée. 

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Pour les bus par exemple, l’étude E4T envisage en 2040 : 

• un peu plus de 200gCO2e/km pour le bus électrique
• des émissions d’un peu moins de 500gCO2e/km pour le bus hydrogène
• plus de 1700gCO2e/km pour le bus diesel

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L’usage de l’hydrogène reste donc une solution intéressante, combinée à d’autres motorisations, pour certains usages spécifiques : transports de marchandises sur de longues distances, transports de personnes ou pour les véhicules utilitaires légers sur des grands rayons d’action. 

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Les principales sources : 

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• Analyse de cycle de vie relative à l’hydrogène, ADEME
• Etude énergétique, économique et environnementale du transport routier à horizon 2040 (E4T 2040), Ademe, IFP Energies Nouvelles
• Les futurs en transition, ADEME
• https://www.ifpenergiesnouvelles.fr/article/mobilite-durable-quelles-solutions-technologiques-reduire-lempreinte-environnementale-des-transports-routiers
• Les 10 choses à savoir sur l’hydrogène dans les transports, Aurélien Bigo, Polytechnique Insights
• https://agirpourlatransition.ademe.fr/entreprises/potentiel-hydrogene-bas-carbone-renouvelable
• La transition vers un hydrogène bas carbone : atouts et enjeux pour le système électrique à l’horizon 2030-2035, RTE

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